微粒捕集器喷油助燃再生旋流燃烧器流场特性研究*

何 勇，黄雅兰

（邵阳学院机械与能源工程学院，湖南 邵阳 422000）

0 前言

柴油机微粒捕集器简称DPF（Diesel Particulate Filter,DPF）。从20世纪70年代开始，国外学者针对柴油机排气中的大量微粒对DPF 的研制开发展开研究，到如今DPF是世界上公认降低柴油机PM排放最有效、技术相对成熟的后处理装置之一，性能良好的DPF对排气中PM的过滤效率可达95%[1]，现在已逐渐成为满足排放法规要求的必要技术配置。在一系列再生技术中，喷油助燃再生这一主动再生技术，再生燃烧器通过燃料供给系统和喷油系统适时喷射一定量的燃油，伴随供气系统提供充足的空气以及点火系统将其点燃，燃烧器便会均匀产生相应的含氧燃气，引发过滤体内的微粒燃烧[2]。喷油助燃再生技术采用与柴油机一样的燃料，取用便利，燃料供给系统和喷油系统结构简单，再生窗口较宽，燃料燃烧后能量利用率高、响应速度快，再生时间极短且再生效率高[3]。但喷油助燃再生的燃烧过程与组织具有一定的难度，燃烧器在冷启动时会由于燃烧不理想引起二次污染，不仅要让过滤体内积聚的微粒快速且完全燃烧，而且要保证过滤体不因过热而损坏，这就需要在油气比、燃油喷射的雾化质量、火焰稳定性等方面进行优化与匹配[4]。

因此，在本课题组前期所设计的DPF 喷油助燃再生旋流燃烧器的基础上，采用数值模拟技术，研究四种不同的直叶片安装角度对DPF 喷油助燃再生旋流燃烧器流场特性的影响规律，为进一步优化设计旋流燃烧器提供了依据。

1 计算模型介绍

1.1 旋流燃烧器的物理模型

本文中所研究的DPF 喷油助燃再生的旋流燃烧器，其主要由油气混合室、燃烧室、捕集体段以及总排气出口段四个部分组成。所设计的旋流燃烧器采用的结构形式为轴流式，在其喷油嘴前端设计安装旋流直叶片来进行供风，可以确保旋流燃烧器产生高质量的高速旋转的流场，有利于促进柴油的雾化与蒸发以及油气的充分混合，从而进一步保证其在中心轴方向形成相应长度的回流区来增强火焰的稳定性。

本文所设计的轴流式旋流直叶片旋流燃烧器的简化模型如图1 所示，图中喷油嘴安装孔半径R 为12.5 mm，内环半径R1为31 mm，外环半径R2为43 mm，叶片厚度δ 为2 mm，叶片宽度a 为19 mm，由于本文主要对四种不同的叶片安装角度θ 这一结构参数进行相关的研究，因此叶片安装角度θ 将分别为30°、37°、45°以及50°，直叶片旋流器的长度t 为20 mm，旋流直叶片数量n为14个。

图1 轴流式旋流直叶片旋流燃烧器的简化模型

1.2 流体计算模型

DPF 在实际进行喷油助燃再生时，其整体结构、系统具有一定的复杂性，若完全参照实际物理模型、参数来进行数值仿真计算，不论是运行参数还是结构参数在投入实际工作时不具有固定性，为了满足较为宽广的再生窗口，就需要在相应的区间内来取值，所带来的成本和困难性将大幅度提高。因此，有必要对所研究的模型作进一步的假设及简化处理，以满足工程仿真切实可行的要求。

对于假设及简化后的流体计算模型采用网格划分软件作离散处理，因为本模型中的捕集体简化处理为多孔介质模型，在数值计算时会对其作参数设置，所以需对捕集体部分与燃烧室、总排气出口部分作分割处理。出于计算成本、精度以及流体域的结构等方面的考虑，捕集体部分用六面体结构化网格划分，其他部分用非结构化网格进行划分，总网格数量约33万，网格质量都大于0.3。

1.3 计算模型与边界条件

1.3.1 湍流模型

FLUENT 提供的湍流模型常用的有：标准k-ε模型、RNGk-ε模型、Realizablek-ε模型、雷诺应力模型（RSM）、k-ε模型、压力修正k-ε模型以及大漩涡模拟模型[5]。本文中所研究的旋流燃烧器等结构拥有复杂的流场变化与近壁面流动细节，这些特点属于双方程模型的典型应用场景。Realizablek-ε模型满足对雷诺应力的约束条件，在雷诺应力上可保持和实际湍流情况的相同，这是标准k-ε模型和RNGk-ε模型二者都无法实现的，这一优势在FLUENT 的计算中能够更加精确地模拟平面或圆形射流的扩散速度，与此同时在旋转流、带有方向的压强梯度的边界层以及分离流等问题计算中其结果更加符合实际情况[6]。因此，本文中的研究将选择采用更加适合的Realizablek-ε湍流模型。

1.3.2 入口边界条件

本研究在设置边界条件时选择速度入口，对上述选择的湍流模型需要在设置中填入湍流强度I与湍流尺度l的数值，由于当前缺少求解湍流动能k、湍流耗散率ε的准确公式，所以需要依据近似公式（1）和（2）来进行估算。

以上两式中：uavg代表平均流动速度；I代表湍流强度，其可以依据公式（3）进行求解；Cμ代表湍流模型内设定的经验常数，一般取值为0.09；l代表湍流尺度，其可以依据公式（4）进行求解。

以上两式中：ρ代表流体密度；v代表流体流动速率；dH代表入口管道的特征长度；μ代表空气的动力黏度系数；L代表流动的特征长度。当管道是标准圆形截面，且内部流动充分发展，若dH与L相同时使用其相应的水力直径代替，求解公式如公式（5）所示。

式中：A代表通过流体的截面面积；lc代表过流截面上流体润湿周长，对应到本研究则为气体入口截面上全部过流截面的周长。

本文主要对旋流燃烧器的流场开展研究，考虑到柴油机的排气成分具有一定的复杂性且气体波动较大，故将尾气简化处理为新鲜空气。选取柴油机某一工况，并采集这一工况下的尾气数据作为尾气入口的边界条件，所采集的数据和根据上述公式求解两个入口的湍流强度I与湍流尺度l详见表1。

表1 入口边界条件

2 仿真结果与分析

针对四种不同叶片安装角度的再生用轴流式旋流燃烧器模型，选择合适的湍流模型，根据对应的入口边界条件，利用CFD 技术仿真计算了其流场，并主要分析了四种不同叶片安装角度对中心回流区、重附着区的影响。

2.1 四种不同叶片安装角度对中心回流区的影响

由文献可知，对于旋流燃烧器性能指标的评价，一般常用回流区的大小和旋流强度这两个参数来进行考察，其中，回流区的大小定义为轴向速度是负数的区域，旋流强度则定义为轴向负速率的大小[7]。图2 为四种不同叶片安装角度下旋流燃烧器Z＝0 平面上速度分布云图，由图2 可分析出，四种不同叶片安装角度下，四种旋流燃烧器的油气混合室在X 方向中心轴线区域都能形成一定长度的中心回流区，并且该中心回流区一直延伸至燃烧室前部，与柴油机尾气入口处的气流相遇。此外，从图2 可明显地看出，叶片安装角度分别为45°、50°的两种旋流燃烧器的中心回流区明显大于叶片安装角度分别为30°、37°的两种旋流燃烧器的中心回流区，中心回流区可有效增强旋流燃烧器内油气的卷吸、混合，对于提高燃烧的火焰稳定性、燃烧的彻底程度及减少氮氧化物的生成量起到积极的作用[8]。

图2 四种不同叶片安装角度下旋流燃烧器Z＝0平面上速度云图

进一步分析图2 可知，随着叶片安装角度的增大，旋流燃烧器中心回流区的回流速度整体上也在逐渐变大；叶片安装角度不断增大，其在中心轴线上的回流速度大体上也不断变大。当叶片安装角度为30°时，最大回流速度出现在大约138 mm 处，为2.5 m/s；当叶片安装角度为37°时，最大回流速度出现在大约175 mm 处，为4.2 m/s；当叶片安装角度为45°时，最大回流速度出现在大约81 mm 处，为3.8 m/s；当叶片安装角度为50°时，最大回流速度出现在大约113 mm处，为4.0 m/s。叶片安装角度由30°增大至37°时，最大回流速度也随之变大，但叶片安装角度由37°增大至50°时，最大回流速度呈现小幅度先下降再上升的趋势，整体波动较小。

此外，伴随着叶片安装角度的增大，旋流燃烧器的中心回流区长度也随之增大，整体上升趋势逐渐平缓，对应于四种叶片安装角度，中心回流区长度分别为177.9 mm、194.2 mm、200.7 mm、202.9 mm。合适长度的中心回流区长度不但可以增强旋流燃烧器内燃油与新鲜空气在质量、能量及动量之间的传递[9]，而且也可以让燃烧室拥有适当的对流换热，以进一步提高旋流燃烧器的效率。

2.2 四种不同叶片安装角度对重附着区的影响

四种不同叶片安装角度下，四种旋流燃烧器在燃烧室突扩结构处均能形成顺时针旋转型局部回流，这一局部漩涡回流处于燃烧器的突扩位置及贴近燃烧器壁面，通常被称作重附着区。重附着区的存在可显著加强燃烧室末端冷热气流的充分混合及稳定性[10]，从而有利于提高再生时火焰的稳定性。其中，重附着区长度则决定这一局部漩涡回流区的大小，重附着区长度随着叶片安装角度的增大而逐渐减小。

3 结束语

四种不同叶片安装角度下，四种旋流燃烧器的油气混合室在X 方向中心轴线区域都能形成一定长度的中心回流区，并且该中心回流区一直延伸至燃烧室前部；叶片安装角度分别为45°、50°的两种旋流燃烧器的中心回流区明显大于叶片安装角度分别为30°、37°的两种旋流燃烧器的中心回流区；随着叶片安装角度的增大，旋流燃烧器的中心回流区长度也随之增大，整体上升趋势逐渐平缓，中心回流区的回流速度整体上也在逐渐变大；叶片安装角度由30°增大至37°时，最大回流速度也随之变大，但叶片安装角度由37°增大至50°时，最大回流速度呈现小幅度先下降再上升的趋势，整体波动较小。四种不同叶片安装角度下，四种旋流燃烧器在燃烧室突扩结构处均能形成重附着区，重附着区长度随着叶片安装角度的增大而逐渐减小。